论文研究-多次重传的链状无线传感网络可靠性分析.pdf

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针对链状拓扑无线传感网络中存在的多跳过程严重降低网络可靠性的问题,提出并分析了基于多次重传策略的网络无线链路可靠性、节点能量可用性、瞬时可靠性及平均无故障时间等可靠性指标。针对契合实际的应用场景,建立了包含路径衰落和阴影衰落的复合信道模型及传感器节点的能量模型。基于所建立的模型,推导出相关可靠性指标的理论表达式。基于对节点间耗能不均衡问题的分析,提出了节能的初始能量分配方案。仿真结果验证了理论分析的正确性,为无线传感网络可靠性影响因素的分析及拓扑网络可靠性评估与预测提供了新的理论支撑。
程红霞,谭新莲:多次重传的链状无线传感网络可靠性分析 2018,54(5) 接收数据时,信号放大器电路不需要运行,因此接受一的能量消耗为: 个数据包的能量消耗可以表示为: scns (Pe+pranK ,Vn∈-1,2,…,N} (14) hn∈{l,2,…,N (6) 接收一个数据包的能量消耗为: 2.3事件到达模型 厂rce P KL 根据统计学的原理,节点n感知事件并生成数据的 ,Vn∈{1,2,…,N} 15 过程满足非齐次泊松过程(Non- homogeneous Poisson 下面分別对源节点和屮继节点的能量可用性进行 Process.因此若在[,的时间内,节点n感知到M、)分析。 个事件,那么M()将服从泊松分布,可以表示为 41源节点能量可用性分析 无线传感器节点电池能量有限,因此当电池能量低 PrIM, (c)=k (41() exp(△2()!=12 (7) 于一定的阙值时,传感器节点将不能止常T作。为了分 其中A()=A减 析传感器节点能量对链状网络可靠性的影响,将无线传 肖点(不随事件改变时,节点n感知事 件并生成感器节点能量消耗分为以下三方面:感知事件耗能接 数据的过桯满足齐次泊松过程( Homogeneous Poisson收数据耗能和发送数据耗能。根据能耗模型,对于源节 Process),M()的概率密度可以简化为: 点而言,由于不需要接收其他节点发送的数据,能量的 (u(t)) 消耗主要包括感知事件耗能和发送本地产生数据耗 P1M)==一k!1),k=1,2, (8)能。因此源节点在t时刻的剩余能量为: Er (t)=Eo (t)-Esens()-Era(t)Mo(t) 3无线链路可靠性分析 由于所有的数据包都是通过无线信道进行传输,而 0(6)-tPot +PO KLMo(t) (16) 信道的衰落导致数据包并不能总是成功被接收。节点 为∫保证源节点的正常工作,剩余节点能量需要高 n与节点n+1之间的链路可靠性可以定义为: 于最小能量國值。设A。表示源节点在t时刻能量可 p=更(√2n (9)用,那么源节点在t时刻的能量可用性为 其中币(x)为标准正态分布的累积分布函数。 Pr{A}=Pr{化()≥E}= (LPt H +[G -nldB-noldg-lyoldBX10) Pr{M()≤ E0 (t)-ToPc t-ethlr (17) Po +Poke 由于采用了多次重传策略,为了提高网络的可靠 根据事件到达模型,源节点在[0,t时间内感知事 性,每一个数据包会被重复发送K次。 件的个数M′t)满足非齐次泊松过程。根据公式(17), 所以节点n与节点n+1之间的链路可靠性为 源节点在t时刻的能量可用性可以计算得到 =1-(1 1-1-④ A41(C) 假设相邻节点间的无线链路可靠性相互独立,对于 P4ld=12dk!e-40):M>0 源节点,数据包需要通过所有中继节点才能成功传输到 0,M0<0 汇聚节点,所以源节点的链路可靠性为: 其中 =1(1-[1-√2)y (12) F0(t) EthIr (Pe+PganKL (19) 对于中继节点n而言,本地感知的数据通过该节点 之后的传感器节点传输数据包至汇聚节点,与该节点之 Lx」为向下取整函数。根据泊松分布与不完全伽马函数 前的传感器节点无关,因此中继节点n∈1,2,…,N的 之间的关系,式(18)可简化为 链路可靠性为: TMo+1,40(t).M0≥0 Pr(A=Mo (20) R=;=(1-[1-中v29)),wmn∈{,2,…N(13) O.M0<0 其中不完全伽马函数r{x)=erd 能量可用性分析 42中继节点能量可川性分析 无线传感器网终中,源节点和中继节点一般由电池 对于中继节点n而言,能量的消耗主要包括感知数 供电,当节点的电池能量低于特定能量阈值时,传感器据耗能、接收并转发来自该节点之前节点的数据耗能和 节点将不能够正常工作。由于采用多次重传的策略,每安送本地产生数据耗能。因此中继节点n在!时刻的 个数据包将被重复传输K次,因此,发送一个数据包剩余能量为: 2018,54(5) Computer Engineering and4 pplications计算机工程与应用 Fr ()=E()-Es(t)-(er Er ). D,(t) FF"(]≤r (Pe+ Po)Kl. ac]t(27) E.M (t=Em(t)-tPsnt- (2Pelec+Pra)KLD,(t) 同理,根据式(21),可得到中继节点n的最低初始 能量为 (Pe+P KLM, (t) (21) EE(t)≈zPt+ (P+P KLA, (t) 其中D,、t)表示在0,n时间内中继节点x成功接收数 (2P+P四)KL8(Rm,4m)(28) 据包的总数。与分析源节点的能量可用性类似,设An 表示中继节点n在t时刻的能量可用,则中继节点n在 特别的,当洎松分布的强度函数不随时间改变,式 t时刻的能量可用性为 (28)可转化为: Pr A, =PrE(c)>Et=Pr 2Pt+P KLD,( F[F0(以x,P7+ (Pn+Pr)KLn (Pe +ptraKLM,(t) (2Pelec + PranKI Rmm,a]t (29) Em t)-r2 Pa t-eth (22) 根据公式(27)和公式(29)可以看出,当事件到达满 由上式可知,为了求解中继节点在时刻的能量可足齐次泊松过程即泊松分布的强度函数A)不随时间 用性,必须首先分析D(的分布。由于在中继节点n改变时,所有节点单位时间内的耗能与时间无关即所 之前的所有节点都能感知数据并将数据发送给中继节有节点之间单位时间内的耗能的比值不变。由于网络 点n,设Dmn()表示在0,时间内中继节点n成功接的平均无故障时间取决于寿命最短的节点,根据该比值 收到的由节点m本地产生的数据包的数目。显而易对各个节点进行初始能量分配可以平衡所有节点的寿 见,D()满足如下的表达式: 命,进而节约整个网络的耗能。 (23) 6仿真实验与性能分析 本章将通过网终仿真工具 OMNET+进行蒙特卡 5节能的初始能量分配方案 罗仿真,并将仿真结果与理论计算结果进行比较来验证 当节点之间的链路可靠性较高时,在O,1时间内无线链路可靠性、网络腳时可靠性以及平均无故障时间 各个中继节点成功接收数据包的总数D()差异很大, 理论表达式的正确性。 导致各个节点的能量消耗不再平衡,然而对于链状拓扑 考虑如图1所示的链状拓扑元线传感器网络,源 无线传感器网络前言网络的平均无故障时间取决于寿点和目的节点分别部署在链状的两端,N个中继节点 命最短的节点本章提出的节能的初始能量分配方案均匀分布在Dm长的直线区域中,源节点和中继节点 目标是平衡所有节点的寿命,从而节约整个网络的耗产生数据包的过程满足齐次泊松过程,源节点和中继节 能。从公式(16)可知,源节点在t时刻听消耗能量的期点感知数据后将数据发送给下一个传感器节点直至汇 望值可以表示为 聚节点。为了简单起见假设泊松分布的强度函数不随 ETEn()=ToPoint (PE +PraKT 时间变化,各个传感器节点的初始能量、运行无线通信 ELMo(t)] 模块的功率、发射功率、感知事件功率及占空比相同,即 (Po +Po. E.PE=P Pss=P,A=入 4() 24) n=x,n=0,1,2,…,N。结合工程实际及文献[4-151 为了确保源节点能在时刻止常T作,源节点的初的相关阐述,对实验参数进行了设置。主要的实验参数 始能量要满足 如表1所示。 Eoit-Eth>Econs 图2给出了当中继节点数目N=3时,源节点和各 般而言,源节点的初始能量远远大于能量阈值,个中继节点的无线链路可靠性随发射功率的变化。从 即E>E,因此源节点最低初始能量可表示为 图中可以容易看出,当传感器节点的发射功率提高时, E[E(1)≈E[Eo() 接收节点处的信噪比将增大,相邻节点之间的无线链路 Po +P)KL 可靠性提高,导致所有节点的无线链路可靠性提高。从 ToPol+ 26)图中还可以看出,当节点的发射功率较低时,源节点与 特别的,当泊松分布的强度函数不随时间改变.式各个中继节点之间的链路可靠性差异很大,邢是因为对 (26)可转化为: 于源节点产生的数据包而言,需要经过吏多的跳数才能 程红霞,谭新莲:多次重传的链状无线传感网络可靠性分析 2018,54(5) 表1主要实验参数 图中可以看出仿真结果与理论计算结果相当吻合,证明 参数号数值 了理论表达式的正确性和准确性 数据包重传次数 K 链状区域长度m D 1.0 理论结果 信噪比门限/dB 仿真结果 6 0.8 阴影衰落标准方差dB 路径损耗指数 0.6 Rb-0.8R5=0.7+=C65 dl处的祧距路径损耗常量G 31.54 背景噪声功率W 感知事件功率/mW 运行无线通信模块功率mWP 节点初始能量J 0.05 100150200250300350400450500 节点小限能量/ 时间/s 占空比 图4基于多次重传策略的瞬时可靠性随时间 数据包长度bit 5000 的变化(N=4) 数据发送速率(bit·s-1 r2.5×10● 泊松分布强度函数 在图3所示场景中,网络的无线链路可靠性Rb=0.7 从图屮可以看出,当屮继节点数目较少时,网络瞬时可 抵达汇聚节点为了保证网络中所节点的无线链路 靠性下降的时间较早。因为当中继节点数日较少时,为 可靠性,在接下来的讨论中,以源节点的无线链路可靠了获得同样的无线链路可靠性,节点的发射功率需要增 性代表整个链状无线传感器网终的无线链路可靠性 大,加速了节点的能量消耗。 1.0 在图4所小的场景中,中继节点的数N=4。从 丰 图中可以看岀,网络的无线链路可靠性越高,网络的瞬 0.8 时可靠性下降得越早。因为从图2可知,网络的无线链 0.6 =1 路可靠性越高,节点的发射功率越大,导致节点的能量 消耗增加,网络瞬时可靠性提早降低。 0.2- 图5给出了网络的平均无故障时间随网络无线链 拜论结果 0 仿貞结果 路可靠性的变化。在上文的讨论中已经指出,网络的无 6080100120 线链路可靠性越高,节点的发射功率越大,单位时间内 节点发射功率0.1mW 节点消耗的能量越多,而每一个节点的初始能量是固定 图2基于多次重传策略的无线链路可靠性随 的。因此网络的平均无故障时间随无线链路可靠性的 节点发射功率的变化 提高而降低。从图中可以看出,中继节点数日的增加, 图3和图4给出∫不同场景下网络瞬时可靠性随时可以增加网络的平均无故障时间延长网络的寿命。此 间的变化。从图中可以发现在初始阶段,源节点和中外,从图中可以发现,当网络的无线链路可靠性趋于1 继节点的剩余能量比较充足,可以保证节点的正常工时,网终的平均无故障时间趋于0。因为为了确保网终 作,络瞬时可靠性恒定为1。工作一段时间以后,所有的无线链路可靠性为1,节点的发射功率趋于无穷大导 节点的剩余能量越来越少维持节点正常工作的概率越致节点单位时间的能量消耗趋于尢穷大,网络的平均尤 来越低,因此,网络的瞬时可靠性随之降低直至为0。从故障时间趋丁0 4000 1.0◆◆命 理论结果 3500 理论结果 [·仿真结果 ◆仿貞结果 0.8 3000 2500 V=3LN=4N=5 0.4 1500 0.2 1000 500 0.1 100150200250300350400450 0 0.40.60.8 1.0 图3基」多次重传策略的瞬时可靠性随时间 图5基于多次重传策略的平均无故障时间随 的变化(R=07) 链路可靠性的变化 42018,54(5) Computer Engineering and4 pplications计算机工程与应用 图6和图7验证节能的初始能量分配方案的有效性。参考文献 图6给出了当中继节点N=3时,采用不同的初始能量 IMalthaiou M, Chalzidiamantis N D, Karagiannidis G K. 分阻方案时平均无故障时间随无线链路可靠性的变化。 A new lower bound on the ergodic capacity of distributed 从图7可以看出,当采用节能的初始能量分配方案时,与 mimo systems[J]. Signal Processing Letters, 2011, 18(4) 所有节点初始能量一致方案相比,网终的平均无故障时 227-230 间基本保持不变。在仿真实验中还发现,当所有节点初2] Chen h y, Wang J B, Chen M Outage capacity study 始能量一致时,后一个中继节点总是第一个能量耗尽停 of the distributed mimo system with antenna cooperation[] 止工作的;而采用节能的初始能量分配方案后,所有的节 Wireless Personal Communications, 2011, 59(4): 599-605 点都有可能为第一个能量耗尽的节点,明了节能的初1241个mB时m 始能量分配方案能够很好地平衡所有节点的寿命。图7 给出了采用节能的初始能量分配方案后所节约能量的多 cations,2008,7(9):3636-3646 少设E为凝冷点和中继节点的初始能量之和,从图mHM,WaB, Chen M Outage performance distributed antenna systems over shadowed nakagami-m 屮可以看出,无线链路可靠性越高,节约的能量越多。这 fading channels[J]. European Transactions on Telecommu 是囚为无线链路可靠性越高,各个节点需要转发的数据 nications,2009,20(5):531-535. 包的数量差距越大,导致各个节点的负载愈加不平銜,[S]徐恪朱敏林闯.互联网体系结构评估模型、机制及方法 离汇聚节点越近的节点能量消耗越人,反之能耗越少 研究综述计算机学报,2012,35(10):19852006 3500 [6]刘晔,傳忠谦.无线传感器网终中陷阱空涧的有效检测与 3000 节点初始能量相同 节能的初始能量分配方案 修复[计算机工程与应用,2016,52(5):104-109 2500 7 Lima C H, Bennis M. Statistical analysis of self-organizing 益2000 networks with biased ccll association and interference avoidance[J. IEEE Transactions on Vehicular Technology ≥1500 2013,62(5):1950-1961 1000 8 Parvin S, Hussain F K, Park J S, et al. A survivability 500 modelinwirelesssensornetworks[j.computers& Mathematics with Applications, 2012, 64(12): 3666-3682 R [9]赵琳,孙国栋陈志泊.传感网中链路十扰优化的拓扑控制 图6采用节能的初始能量分配方案的平均无 综述[J计算机工程与应用,2015,51(10):93-102 障时间随链路可靠性的变化(N=3) [10]李新春,王晓明.节点分布对尢线传感器节点定位性能的 影响[计算机T程与应用,2016,52(9):112-115. [l]海涛,朱世才,陈,等.应急通信中基于ANP的WSN 可生存性评价指标体系研究[J传感技术学报,2014,27 0.18 (4):557-563 兰0.16 [12]熊书明,王良民,詹永照.基于SMP的无线传感器网络拓 扑容侵定量评估[通信学报,2010,31(7):24-32 U.14 [13 Petridou S, Ba S. Roumeliotis m. survivabili .12 节点初始能量相同 analysis using probabilistic model checking: A study 节能的初始能量分配方案 0.10 on wireless sensor networks.IEEE Systems Journal 0 0.2 0.4 0.6 0.8 L.0 2013,7(1):4-12 [14 Xiao Y Chen S, Li Y.An enhanced facToring algorithin 图7所有节点初始能量之和随链路可靠性的 for reliability evaluation of wireless sensor networks[C]/ 变化(N=3) The 9th International Conference for Young Computer 7总结 Scientists. icycs 20082008: 2175-2179 木文基丁复合信道模型,对采用多次重传策略的网[15]XioY,Lix,LiY, et al. Evaluate reliability of wireless sensor nctworks with obdd [c/International Conference 络无线链路可靠性进行∫分析。首先建立∫复合信道 on Communications. 2009:1-5 模型,对链状拓扑元线网络的可靠性进行了一般性描 [16 Wang J B, Wang J Y, Chen M, ct al. Rcliability analysis 述ε其次提出相关可靠性指标,进而推导出其理论表达 for a data flow in event-driven wireless sensor networks 式:然后对节点间耗能不均衡问题进行了分析,提出了 using a multiple sending transmission approach[J].uro- 节能的初始能量分配方案。最后进行了仿真实验,验证 pean Journal on Wireless Communications and Networking 了理论分析的正确性。 2013(1):1-1

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